Dynaaminen myötövanheneminen teräksissä

VEERA PELTONEN

DYNAAMINEN MYÖTÖVANHENEMINEN TERÄKSISSÄ

Kandidaatintyö

Tarkastaja: Mikko Hokka

TIIVISTELMÄ

VEERA PELTONEN: Dynaaminen myötövanheneminen teräksissä Tampereen teknillinen yliopisto

Kandidaatintyö, 22 sivua Syyskuu 2018

Materiaalitekniikan diplomi-insinöörin koulutusohjelma Pääaine: Materiaalitekniikka

Tarkastaja: Mikko Hokka

Avainsanat: dynaaminen myötövanheneminen, teräs, plastinen muodonmuutos, Portevin – Le Chatelier – efekti, hiilen diffuusio

Dynaaminen myötövanheneminen on korotetuissa lämpötiloissa tapahtuva ilmiö, joka vaatii nimensä mukaan dynaamiset olosuhteet. Tämä tarkoittaa sitä, että vanheneminen tapahtuu muokkauksen aikana, eikä staattisesti muodonmuutoksen jälkeen. Makroskoop- pisella tasolla ilmiö aiheuttaa sen, että materiaalin lujuus kasvaa ja pienenee vuorotellen.

Tämä aiheuttaa jännitys-myötymäkäyrän sahalaitaisuutta, eli Portevin–Le Chatelier-efek- tiä. Mikrotasolla dynaaminen myötövanheneminen johtuu siitä, että dislokaatiot vuoro- tellen lukittuvat pakoilleen ja vapautuvat. Dislokaatioiden lukittuminen johtuu siitä, että liikkuvat dislokaatiot vetävät puoleensa metallin seosaineita. Seosaineiden diffuusio estää dislokaatioiden liikkeen, ja lisäksi seosaineiden ja dislokaatioiden atomitason vuorovai- kutus vaikeuttaa dislokaatioliikettä omalta osaltaan. Dislokaatiot vapautuvat, kun materi- aalin jännitys kasvaa riittävästi.

Dynaamista myötövanhenemista on tutkittu jo 1950-luvulta lähtien. Aluksi teräkselle teh- dyt mallit perustuivat pelkästään hiilen diffuusioon, mutta myöhemmin malleissa otettiin huomioon myös muut atomitason vuorovaikutukset. Dynaamisen myötövanhenemisen tutkimiseen käytetään yleensä vetokokeissa saatua mittausdataa, josta tehdään jännitys- myötymäkäyriä tai vaihtoehtoisesti lujuus-lämpötilakäyriä. Myös läpivalaisuelektroni- mikroskopiaa käytetään hyväksi dislokaatioviivojen hahmottamisessa. Läpivalaisuelekt- ronimikroskooppikuvat otetaan yleensä lujuustestauksien jälkeen, mutta lähiaikoina on onnistuttu ottamaan myös videota kokeen aikana, jolloin dislokaatioiden liikettä ja het- kellisiä nopeuksia voidaan havainnoida pelkästään alku- ja lopputilojen sijaan.

Teräksen dynaamisen myötövanheneminen johtuu useimmiten sen sisältämästä hiilestä, mutta myös muut seosaineet, kuten typpi, alumiini, kromi, nikkeli ja pii vaikuttavat il- miön esiintymiseen. Jotkin seosaineet, kuten alumiini ja kromi, vaikuttavat pääasiallisesti sitomalla joko hiiltä karbidiyhdisteisiin tai typpeä nitrideiksi. Kuitenkin esimerkiksi alu- miini, kromi, nikkeli ja pii voivat omalla diffuusiollaan aiheuttaa dynaamisen myötövan- henemisen esiintymistä korkeammissa lämpötiloissa, joissa hiilen diffuusio ei enää estä dislokaatioiden liikettä yhtä tehokkaasti, sillä hiilen diffuusionopeus on suurempi kuin dislokaatioiden nopeus.

ALKUSANAT

Tämä kandidaatin työ on kirjoitettu vuoden 2017 aikana ja viimeistelty vuonna 2018 Tampereen teknilliselle yliopistolle. Haluan kiittää ensisijaisesti Mikko Hokkaa kärsiväl- lisyydestä ja kiinnostavasta aiheesta sekä lisätiedoista projektin aikana. Haluan myös kiit- tää perhettäni ja ystäviäni tuesta, jota he tarjosivat minulle.

Tampereella, 21.9.2018

Veera Peltonen

SISÄLLYSLUETTELO

1. JOHDANTO ... 1

2. DYNAAMINEN MYÖTÖVANHENEMINEN ILMIÖNÄ ... 2

2.1 Dynaamisen myötövanhenemisen tutkiminen ... 6

2.2 Uusi Peierlsin mekanismi... 9

2.3 Matemaattiset mallit ... 10

2.3.1 Cottrell–Bilby-malli ... 11

2.3.2 Cuddy–Leslie-malli ... 11

2.3.3 Gilatin ja Wun malli ... 12

2.4 Atomitason vuorovaikutus ... 12

3. SEOSATOMIEN VAIKUTUS DYNAAMISEEN MYÖTÖVANHENEMISEEN TERÄKSISSÄ ... 15

3.1 Hiili ja typpi ... 15

3.2 Muut seosaineet... 17

4. YHTEENVETO ... 19

LÄHTEET... 21

KUVALUETTELO

Kuva 1. AISI 316 – ruostumattoman teräksen (insinööri)jännitys-myötymäkäyrä.

[3] ... 2

Kuva 2. 1020-teräksen jännitys-lämpötilakäyrä. [6] ... 3

Kuva 3. Korkeamagnaanisen hiilen todellinen jännitys-myötymäkäyrä. [11] ... 4

Kuva 4. Portevin-Le Chatelier–efekti. [8] ... 5

Kuva 5. Sahalaitaisuuden kaksi perustyyppiä Portevin – Le Chatelier – efektissä. [13] ... 5

Kuva 6. 1020-teräksen (insinööri)jännitys-myötymä käyrä. [6] ... 7

Kuva 7. AISI 316- ruostumattoman teräksen dislokaatiot. [3] ... 8

Kuva 8. AISI 316 - ruostumattoman teräksen dislokaatiot vetokokeen jälkeen. [3] ... 9

Kuva 9. a) tilakeskinen rautahila b) ruuvidislokaatio levossa c) polvipari liikkuvassa ruuvidislokaatiossa [18] ... 10

Kuva 10. Alumiini-magnesiumnäytteiden jännitys-myötymäkäyrät. [2] ... 13

Kuva 11. Magnesiumtihentymä dislokaation kohdalla. [2] ... 14

Kuva 12. Magnesiumkonsentraatio dislokaation ympärillä. [2] ... 14

Kuva 13. Fieldin ja Van Akenin tutkimuksen terästen insinöörijännitys- myötymäkäyrät [20] ... 16

Kuva 14. A48- ja A42-terästen vetolujuus lämpötilan funktiona. [22] ... 17

LYHENTEET JA MERKINNÄT

AISI American Iron and Steel Institute

APT Atom probe tomography, atomianturitomografia

DSA Dynamic Strain Aging, Dynaaminen myötövanheneminen PLC Portevin–Le Chatelier

SADI Solute Atom–Dislocation Interaction, Seosatomien ja dislokaatioi- den vuorovaikutus

TEM Transmission Electron Microscopy, Läpivalaisuelektronimikrosko- pia

wt-% Massaprosentti

ε Myötymä

α0 vakio, Cottrell-Bilby-mallissa, arvo noin 3 C0 seosaineen konsentraatio seoksessa

C1 dislokaatioliikkeen estämiseen tarvittava seosaineen konsentraatio L esteiden ja liikkuvien dislokaatioiden keskimääräinen etäisyys ρm liikkuvien dislokaatioiden tiheys

Um seosaineen dislokaatioiden sidosenergia D seosaineen diffuusion vaikutuskerroin

T lämpötila

b dislokaation Burgers-vektori

Δθ sahalaitaisuuden suuruus kuorma-venymäkäyrällä

A vakio, Cuddy-Leslie-mallissa

B vakio, Cuddy-Leslie-mallissa

t aika

Q liike-energia

R kaasuvakio

τc dynaamisen myötövanhenemisen aiheuttama jännitys

B1 vakio, Gilat-Wu-mallissa

vc energiakynnyksen aktivointiin vaadittava tilavuus (γ^p)^m dislokaatiotiheys myötönopeuden funktiona (γ^p)^β vakanssien tiheys myötönopeuden funktiona γ·^p plastinen myötönopeus

Qm seosaineiden liike-energia

k Bolztmannin vakio

1. JOHDANTO

Dynaamista myötövanhenemista tapahtuu korkeissa lämpötiloissa metalleille, jotka ovat jännittyneessä tilassa [1]. Työn tavoitteena on ensisijaisesti selittää, mitä dynaaminen myötövanheneminen ilmiönä tarkoittaa. DSA:ta (dynaaminen myötövanheneminen) tar- kastellaan ensisijaisesti teräksien kannalta. Lisäksi selvitetään, löytyykö tutkimuksia ja teorioita siitä, minkä vuoksi dynaamista myötövanhenemista tapahtuu. Ennakko-oletuk- sena on, että jokin materiaalin mikrorakenteessa, kuten esimerkiksi tietty kiderakenne tai metalliin lisätty lisäaine, vaikuttaa siihen, tapahtuuko myötövanhenemista. Syiden selvit- tämisessä tutkitaan ensisijaisesti teräksiä. Lisäksi tutkitaan myös muille metalleille, kuten esimerkiksi alumiinille, tehtyjä tutkimuksia, joiden tuloksia pyritään yleistämään kaikille metalleille. Tarkoitus on myös pohtia, onko dynaamisesta myötövanhenemisesta hyötyä tai haittaa käytännön sovellutuksissa vai onko sillä minkäänlaista vaikutusta. Työ on luonteeltaan kirjallisuusselvitys, eikä sisällä kokeellista osuutta.

2. DYNAAMINEN MYÖTÖVANHENEMINEN IL- MIÖNÄ

Dynaaminen myötövanheneminen kuvataan yleensä sahalaitaisena käyränä insinöörijän- nitys-myötymäkäyrässä, jollainen on nähtävillä kuvassa 1. Jännitys-lämpötilakäyrässä dynaaminen myötövanheneminen näkyy hetkellisenä jännityksen nousuna lämpötilan noustessa muutoin laskevassa käyrässä, kuten kuvassa 2 lämpötilan ollessa välillä noin 300–600 °K. Kuvassa 3 on näkyvillä dynaaminen myötövanheneminen todellisessa jän- nitys-myötymäkäyrässä. Kuten ilmiön nimestäkin jo kuulee, se on dynaaminen tapah- tuma, eli se ilmenee materiaalin muodonmuutoksen aikana. Käytännössä dynaamista myötövanhenemista siis tapahtuu jännitys-myötymäkäyrän plastisen muodonmuutoksen alueella. On useita erilaisia teorioita siitä, mikä aiheuttaa dynaamista myötövanhenemista teräksissä ja terässeoksissa. Dynaamisen myötövanhenemisen ymmärtäminen ilmiönä on parantunut huomattavasti vuosien varrella. Tähän ovat vaikuttaneet esimerkiksi kehitty- neemmät mallit, jotka perustuvat SADIin eli seosatomien ja dislokaatioiden vuorovaiku- tukseen, entistä enemmän atomitason kannalta. Kehittyneemmät mallit ovat myös mah- dollistaneet lämpötilan ja myötönopeuden vaikutuksien arviointia. [1-3]

Kuva 1. AISI 316 – ruostumattoman teräksen (insinööri)jännitys-myötymäkäyrä [3].

Teoriat perustuvat seosatomien ja dislokaatioiden vuorovaikutukseen sellaisissa lämpöti- loissa, joissa seosaineiden liikkuvuus on riittävä, jotta ne voivat lukita liikkuvia dislokaa- tioita. Nämä jännitykset ja lämpötilat ovat jokaiselle materiaalille ominaisia ja riippuvat materiaalin lisäksi myös sen mikrorakenteesta. [1, 4-6]

Kuva 2. 1020-teräksen jännitys-lämpötilakäyrä [6].

Dynaamista myötövanhenemista esiintyy korotetuissa lämpötiloissa. Kuten jo yllä mai- nittu, tarkempi lämpötila riippuu materiaalista, mutta yleisesti ottaen kaikilla metalleilla merkittävää dynaamista myötövanhenemista esiintyy eniten lämpötilan ollessa 200 ja 400

°C:n välillä. [6] Kuvassa 1 voidaankin huomata, että samalla materiaalilla ei tapahdu dy- naamista myötövanhenemista lämpötilan ollessa 200 °C, mutta lämpötilan kohotessa DSA:n määrä lisääntyy. Lämpötilan kohotessa liian korkeaksi, dynaaminen myötövanhe- neminen loppuu, sillä seosatomien diffuusionopeus on suurempi kuin dislokaatioiden no- peus, jolloin seosatomit eivät enää sido dislokaatioita paikoilleen yhtä tehokkaasti. [3, 7]

Dynaamisen myötövanhenemisen aktivoitumisenergia hiiltä sisältävissä teräksissä myö- tövanhenemisen alussa korreloi hiilen diffuusion kanssa, mutta korkeammissa lämpöti- loissa, erityisesti dislokaatioiden vapautuessa, energia on korkeampi. Tämä viittaa siihen, että dislokaatioiden vapauttaminen on moniulotteisempaa eikä selity pelkästään Cottrel- lin efektillä. Hiilen diffuusio johtuu siitä, että dislokaatiot vetävät puoleensa seosaineita.

Seosaineet liikkuvat liikkuvia dislokaatioita kohti, sillä dislokaatioliike aiheuttaa jänni- tyskentän, jossa seosaineilla on matalampi energia. Tämä johtaa siihen, että materiaalin vapaa energia vähenee. Seosatomien pakkautuminen dislokaatioiden ympärille aiheuttaa niin kutsutun Cottrellin pilven. Cottrellin pilvi estää dislokaatiota liikkumasta plastisen

muodonmuutoksen aikana. Jotta plastinen muodonmuutos voisi jatkua, liikkuvia dislo- kaatioita täytyy muodostua lisää. Se puolestaan johtaa dislokaatioiden lisääntymiseen ja sitä kautta korkeampaan dislokaatiotiheyteen ja dislokaatioiden tasaisempaan jakautumi- seen materiaalissa. Korkeampi jännitys johtaa muiden dislokaatiolähteiden aktivoitumi- seen ja sitä kautta uusiin dislokaatioihin. Seosatomit ovat yleensä hiili- tai typpiatomeja.

Myös alumiini-, kromi-, nikkeli- ja piiatomit ja pienet karbidit voivat toimia seosatomien asemassa. [4, 7-10]

Kuva 3. Korkeamagnaanisen hiilen todellinen jännitys-myötymäkäyrä [11].

Dynaamista myötövanhenemista tapahtuu ainoastaan jännittyneessä tilassa olevissa me- talleissa. Metallin lämpötila tulee olla korotettu, muodonmuutosnopeuden keskinkertai- nen tai korkea ja metallissa tulee olla seosatomeja. Esteet, jotka ovat seosatomeja, aiheut- tavat nykivää dislokaatioliikettä ja odottamatonta materiaalin lujuuden muutosta, joka johtaa epästabiiliin virtausilmiöön. Makroskooppisella tasolla se näkyy materiaalin jän- nitys-myötymä-käyrän sahalaitaisuutena. Tätä makroskooppisen tason ilmiötä kutsutaan Portevin–Le Chatelier–efektiksi ja se on kuvattu kuvassa 4. [2, 5, 8]

PLC (Portevin–Le Chatelier)–efekti on makroskooppinen ilmiö, jossa materiaalin jänni- tys-myötymä-käyrä on sahalaitainen [12]. PLC-efekti on nähtävissä kuvassa 4.

Kuva 4. Portevin-Le Chatelier–efekti [8].

Portevin–Le Chatelier–efekti voi ottaa monenlaisia muotoja. Kaksi sahalaitaisuuden pe- rustyyppiä ovat tyyppi A (Type A) ja tyyppi B (Type B), jotka ovat näkyvissä kuvassa 5.

[13]

Kuva 5. Sahalaitaisuuden kaksi perustyyppiä Portevin – Le Chatelier – efektissä [13].

Tyyppiä A esiintyy dynaamisen myötövanhenemisen yhteydessä matalammissa lämpöti- loissa ja tyyppiä B korkeammissa. [13]

Dynaamista myötövanhenemista on pyritty hyödyntämään materiaalin ominaisuuksien parantamisessa. Esimerkiksi Chen [14] paransi AISI 304 -teräksen väsymislujuutta DSA- esikäsittelyllä. Dislokaatiot olivat materiaalissa tasaisesti ja dislokaatioverkosto oli sta- biili. Verkosto vähensi huomattavasti hauraiden murtumien muodostumista ja etenemistä ja näin ollen nostivat väsymislujuutta. Dislokaatioverkostolla tarkoitetaan dislokaatioiden jakautumista materiaalissa. Stabiilius tarkoittaa tässä yhteydessä sitä, että dislokaatiot py- syvät paikoillaan ja verkosto tasaisena. Myös Kerscher et al. [7] paransivat SAE52100- teräksen väsymiskestävyyttä kuormittamalla materiaalia syklisesti korkeimmassa mah- dollisessa lämpötilassa, jossa dynaamista myötövanhenemista esiintyy. Heidänkin tutki- muksessaan dislokaatioiden määrä lisääntyi ja dislokaatioverkosto oli stabiili. Dislokaa- tiorakenteen stabiilius johtuu siitä, että seosatomit lukitsevat liikkuvat dislokaatiot pai- koilleen. Kuten Chenin kokeessa, myös Kerscher et al. kokeessa teräksen hauraiden mur- tumien muodostuminen ja eteneminen hidastuivat. Huang et al. [15] tekivät SA533B3- teräkselle väsymistestejä huoneenlämmössä ja 300°C lämpötilassa. Heidän tutkimuk- sensa mukaan dynaamisen myötövanhenemisen ja raekoon pienentämisen yhteisvaikutus paransi teräksen väsymiskestävyyttä.

2.1 Dynaamisen myötövanhenemisen tutkiminen

Dynaamista myötövanhenemista testataan yleensä veto-, puristus- tai leikkauskokeilla.

Esimerkiksi kuvassa 6 kuvataan leikkauskokeessa tapahtuvaa dynaamista myötövanhe- nemista insinöörijännitys-myötymäkäyrällä. Kokeissa käytetään erilaisia kuormia mate- riaalista ja näytteen geometriasta riippuen ja niistä johtuen myös myötönopeus vaihtelee.

Yleensä tuloksista tehdään insinöörijännitys-myötymäkäyriä, mutta myös todellisia jän- nitys-myötymäkäyriä, kuten kuvassa 3, tai vaihtoehtoisesti jännitys-lämpötilakäyriä, ku- ten kuvassa 2. Materiaalien mikrorakenteen kuvaamiseen käytetään yleisimmin läpiva- laisuelektronimikroskopiaa (Transmission electron microscopy, TEM), mutta joissain tutkimuksissa on käytetty myös atomianturitomografiaa (Atom Probe Tomography, APT). Kokeet tapahtuvat korotetuissa lämpötiloissa, jotta dynaamista myötövanhene- mista voidaan havaita. [1-3, 13, 16]

Kuva 6. 1020-teräksen insinöörijännitys-myötymäkäyrä [6].

Insinöörijännitys-myötymäkäyrä on nähtävissä esimerkiksi kuvissa 1 ja 6. Portevin – Le Chatelier – efektistä käyrän plastisen muodonmuutoksen alueella voidaan nähdä, että dy- naamista myötövanhenemista tapahtuu. Kuvassa 6 on verrattu kappaleessa 2.3.3 esiteltyä Gilatin ja Wun mallia ja kokeellisia jännitys-myötymäkäyriä eri myötönopeuksilla. [6]

Sahalaitaisuuden koko kertoo, kuinka merkittävästi dislokaatioita vuorotellen lukittuu ja vapautuu ja sahalaitaisuuden suuruus voidaan laskea esimerkiksi kaavalla 2 [17]. Todel- lisessa jännitys-myötymäkäyrä, joka on nähtävissä kuvassa 3, näkyy vastaavasti sahalai- taisuutta dynaamisen myötövanhenemisen aikana. Lujuus-lämpötilakäyrässä, joka on nä- kyvillä kuvassa 1, näkyy hetkellinen lujuuden nousu lämpötilan noustessa, joka viittaa dynaamiseen myötövanhenemiseen. Normaalisti jännitys-myötymäkäyrä on laskeva. [6]

Jos halutaan tietää tarkemmin materiaalin mikrorakenteessa tapahtuvista muutoksista, käytetään lisäksi läpivalaisuelektronimikroskopiaa. Sillä saadaan tietoa kiderakenteesta ja kemiallisesta koostumuksesta. Dynaamisessa myötövanhenemisen suhteen kiinnosta- vat mikrorakenteen muutokset ovat lähinnä dislokaatioiden liike ja lisääntyminen. Läpi- valaisuelektronimikroskopialla saadaan yleensä otettua kuvia vain jälkikäteen, joten sillä ei saa tarkkaa tietoa itse prosessista. [2, 3] Kuvassa 7 on nähtävissä läpivalaisuelektroni- mikroskoopilla otettu kuva ruostumattomasta teräksestä valmistetun näytesauvan päästä, johon ei ole aiheutunut muodonmuutoksia vetokokeessa [3].

Kuva 7. AISI 316- ruostumattoman teräksen dislokaatiot [3].

Kuvassa 8 on näkyvillä saman ruostumattoman teräksen dislokaatiot, kun sille on tehty vetokoe lämpötilassa 400 °C. Dislokaatiot ovat selkeästi lineaarisempia, josta voidaan huomata dynaamisen myötövanhenemisen vaikutus. Dislokaatioiden ja seosatomien vuo- rovaikutus dynaamisen myötövanhenemisen aikana rajoittaa dislokaatioliikkeen suuntia estämällä dislokaatioiden ristiliukumista. Tästä seuraa se, että dislokaatiot pysyvät liik- keensä aikana samalla tasolla, joka ilmenee lineaarisena mikrorakenteena. [3]

Kuva 8. AISI 316 - ruostumattoman teräksen dislokaatiot vetokokeen jälkeen [3].

APT:n resoluutio on niin tarkka, että sillä saadaan kuvattua tarkasti hilatasoja ja pystytään tunnistamaan yksittäisiä dislokaatioviivoja. Sillä saadaan lisäksi myös kolmiulotteista ku- vaa. Yhdistettynä TEMiin saadaan tieto sekä kiderakenteesta että kemiallisesta koostu- muksesta. Kuvassa 11 on esimerkki siitä, millaisia kuvia APT:llä on mahdollista saada.

[2]

Caillard tutki dynaamista myötövanhenemista vuonna 2016 [4] ja videoi dynaamisen myötövanhenemisen vaikutuksia läpivalaisuelektronimikroskoopilla, jolloin dislokaati- oiden liike kesken prosessin on saatu myös videolle. Caillardin tutkimuksessa kuvatuilla videoilla näkyy dynaamiseen myötövanhenemiseen liittyvä nykivä dislokaatioliike.

2.2 Uusi Peierlsin mekanismi

Dynaaminen myötövanheneminen johtuu yleensä seosatomien diffuusion aiheuttamasta dislokaatioiden liikkeen estymisestä, kuten esimerkiksi Caillardin [4] tutkimuksessa to- dettiin. Caillardin ja Bonnevillen [16] tutkimuksessa kuitenkin havaittiin myös hyvin ma- talilla hiilipitoisuuksilla (45 at. ppm) dynaamista myötövanhenemista, jonka aiheuttaa

”uusi Peierlsin mekanismi”. Uusi Peierlsin mekanismi tarkoittaa tässä yhteydessä kor- keissa lämpötiloissa (200–500 °C), tapahtuvaa Peierlsin mekanismia, jonka aiemmin to- dettu tapahtuvan vain huoneenlämmössä. Caillard ja Bonneville esittivät tutkimukses- saan, että korkeimmissa lämpötiloissa, joissa dynaamista myötövanhenemista tapahtuu

(200–300 °C), dynaamisen myötövanhenemisen taustalla on ennemminkin uuden Peierl- sin mekanismin aiheuttama ruuvidislokaatioiden lukittuminen kuin Cottrellin efektin, eli seosatomien diffuusion, aiheuttama särmädislokaatioiden lukittuminen. [16]

Kuva 9. a) tilakeskinen rautahila b) ruuvidislokaatio levossa c) polvipari liikkuvassa ruu- vidislokaatiossa [18].

Hilarakenteissa esiintyy hilakitkaa, jota kutsutaan myös Peierlsin jännitykseksi (Peierls stress), joka saattaa olla huomattavankin suurta ruuvidislokaatioille, erityisesti tilakeski- sissä kuutiollisissa hilarakenteissa. Kuvassa 9 a) on näkyvissä raudan tilakeskinen hilara- kenne. Näissä tapauksissa dislokaation liuku tapahtuu Peierlsin mekanismin kautta, jossa lämpöliikkeen aiheuttama hilan värähtely johtaa polvipariin, kuten kuvassa 9 c) suorassa dislokaatiossa, joka on kuvassa 9 b). [18]

Tästä uudesta Caillardin ja Bonnevillen havainnosta herää kysymys: onko myös metallin hilarakenteella vaikutusta dynaamiseen myötövanhenemiseen, erityisesti korkeimmilla lämpötiloilla, joissa dynaamista myötövanhenemista tapahtuu. Toisaalta, tässä on nyt vain yksi tutkimustulos aiheesta, joten mitään suoria johtopäätöksiä asiasta ei voida vielä vetää.

2.3 Matemaattiset mallit

Perinteisesti plastista muodonmuutosta kuvaavat teoriat ja mallit eivät ota huomioon dy- naamista myötövanhenemista, vaan ennustavat plastiseen muodonmuutokseen tarvitta- van jännityksen kasvavan monotonisesti. Dynaaminen myötövanheneminen kuitenkin vaikuttaa oleellisesti tarvittavaan jännitykseen ja siksi onkin nähty tarve kehittää malleja, jotka ottavat huomioon dislokaatioiden ja seosaineiden vuorovaikutuksen. [6] Tässä työssä käsitellään muutamia diffuusioon perustuvia matemaattisia malleja. Olen valinnut työhön kolme mallia, jotka käsittelevät dynaamista myötövanhenemista eri näkökulmista:

Cottrell ja Bilby DSA:n alkamiseen tarvittavan myötymän suuruutta, Cuddy ja Leslie sa- halaitaisuuden korkeutta jännitys-myötymäkäyrällä ja Gilat ja Wu puolestaan dynaami- sen myötövanhenemisen aiheuttamaa jännitystä.

2.3.1 Cottrell–Bilby-malli

Cottrell-Bilby-malli juontaa juurensa Cottrellin malliin, jossa liikkuvien seosaineiden oletetaan vuorovaikuttavan näennäisesti viskoosisten liikkuvien dislokaatioiden kanssa.

Dynaamisessa myötövanhenemisessa esiintyvä jännitys-myötymä-käyrän sahalaitaisuus johtuu toistuvasta dislokaatioiden lukitsemisesta ja vapauttamisesta seosaineiden lähellä.

Kyseistä ilmiöitä esiintyy, kun dislokaation nopeus on sama kuin seosaineen virtausno- peus dislokaatioiden jännityskentissä. Sahalaitaisuuden jännitys-myötymäkäyrässä olete- taan alkavan, kun dislokaation lukitsemiseen ja vapauttamiseen menee keskimäärin yhtä kauan. [1]

Cottrell–Bilby-mallin avulla voidaan laskea dynaamisen myötövanhenemisen alkami- seen tarvittavan myötymän suuruus. Cottrell-Bilby-malli kirjoitetaan muotoon:

𝜀 = (𝛼₀∙^𝐶0

𝐶₁)^3/2∙ (𝐿 ∙ 𝜌_𝑚∙ 𝑈_𝑚∙ ^𝐷

𝑘∙𝑇∙𝑏) , (1)

jossa 𝛼₀ on vakio, jonka arvo on noin kolme, 𝐶₀ on seosaineen konsentraatio seoksessa, 𝐶₁ on seosaineen konsentraatio, joka tarvitaan dislokaation lukitsemiseen, 𝐿 on keskimää- räinen etäisyys esteiden ja liikkuvien dislokaatioiden välillä, 𝜌_𝑚 on liikkuvien dislokaa- tioiden tiheys, 𝑈_𝑚 on seosaineen dislokaatioiden sidosenergia, 𝐷 on seosaineen dif- fuusion vaikutuskerroin, 𝑇 on lämpötila ja 𝑏 on dislokaation Burgers-vektori. [1]

Dynaamisen myötövanhenemisen välttämiseksi tämä malli on erityisen hyödyllinen, sillä sen avulla voidaan laskea, millä venymällä prosessi alkaa missäkin lämpötilassa, kun tie- detään seosaineen konsentraatio, dislokaation lukitsemiseen vaadittava seosaineen kon- sentraatio, dislokaatioiden ja esteiden keskimääräinen etäisyys, liikkuvien dislokaatioi- den tiheys, seosaineen dislokaatioiden sidosenergia, seosaineen diffuusion vaikutusker- roin ja dislokaation Burgers-vektori. Lisäksi mallista on hyötyä, jos nimenomaan pyritään aiheuttamaan dynaamista myötövanhenemista aineen ominaisuuksia parantavana esikä- sittelymenetelmänä, kuten Chen [14], Kerscher et al. [7] ja Huang et al. [15] tutkimuksis- saan. Mallin hyödyntäminen vaatii kuitenkin syvällistä ymmärrystä materiaalien mekaa- nisesta käyttäytymisestä mikrotasolla, jotta kaikki tarvittavat muuttujat saadaan selvitet- tyä. Mallia voisi käyttää myös toisin päin: jos tiedetään venymä, jolla dynaaminen myö- tövanheneminen alkaa, sillä voidaan esimerkiksi selvittää 𝐶₁, eli dislokaation lukitsemi- seen vaadittava seosaineen konsentraatio tietylle materiaalille tietyssä lämpötilassa.

2.3.2 Cuddy–Leslie-malli

Cuddy–Leslie-malli on L.J. Cuddyn ja W.C. Leslien 1970-luvulla kehittämä matemaatti- nen malli. Se mallintaa kuorma-venymäkäyrän dynaamisesta myötövanhenemisesta joh- tuvan sahalaitaisuuden suuruutta [17]. Malli voidaan kirjoittaa muotoon:

∆𝜃 = 𝐴 + 𝐵 ∗ log⁡(𝑡 ∗ exp(−𝑄𝑅𝑇)) , (2)

jossa Δθ on sahalaitaisuuden korkeus, A ja B ovat vakioita, t on aika, T on lämpötila, R on kaasuvakio ja Q on sahalaitaisuuden syntymisen ja kasvun aktivointienergia. Q on noin puolet raudan seosatomin diffuusion aktivoimisenergiasta [17].

Koska Δθ kuvaa sahalaitaisuuden korkeutta kuorma-venymäkäyrällä, se kertoo, kuinka paljon dynaamisen myötövanhenemisen ilmentyminen kasvattaa esimerkiksi millimetrin venymään vaadittavaa kuormaa. Eli Δθ toisin sanoen kuvaa, kuinka paljon materiaali on lujittunut DSA:n seurauksena. Tämän funktion suurimman käytön näkisin olevan mit- taustulosten analysoinnin apuna, eli niissä tilanteissa, kun Δθ itsessään tiedetään ja halu- taan selvittää Q:n arvo.

2.3.3 Gilatin ja Wun malli

Gilat ja Wu esittivät tutkimuksessaan [6] mallin, joka esittää dynaamisen myötövanhene- misen aiheuttaman vaikutus kappaleen jännitykseen.

𝜏

_𝑐

= ⁡

^𝐵1

𝜈_𝑐

[

^{(𝛾𝑝)𝑚⁡+⁡𝛽}

𝑇∗𝛾˙^𝑝

∗ 𝑒𝑥𝑝⁡(−

^𝑄𝑚

𝑘∗𝑇

)]

2

3 , (3)

jossa

𝜏

_𝑐 on dynaamisen myötövanhenemisen vaikutus, 𝐵₁ on vakio, 𝜈_𝑐 on tilavuus, joka vaaditaan aktivoimaan energiakynnys, joka aiheutuu, kun seosaineet liikkuvat dislokaa- tioita kohti, (𝛾^𝑝)^𝑚⁡ on dislokaatiotiheys myötönopeuden funktiona, (𝛾^𝑝)^⁡𝛽 on vakanssien tiheys myötönopeuden funktiona, 𝑇 on absoluuttinen lämpötila, 𝛾˙^𝑝on plastinen myötö- nopeus, 𝑄_𝑚 on seosaineiden liike-energia ja 𝑘 on Boltzmannin vakio [6].

Tässä työssä esitellyistä matemaattisista malleista tämä on mielestäni materiaalien kestä- vyyden analysoinnin suhteen tärkein, sillä se antaa tietoa siitä, miten materiaalin jänni- tystila muuttuu dynaamisen myötövanhenemisen aikana. Tämän mallin avulla tulosten saaminen vaatii kuitenkin hyvin syvällistä tietoa dislokaatioista ja seosaineiden diffuusi- osta. Funktiota voisi jännitystilan muutosten analysoinnin ja ennakoinnin lisäksi käyttää hyvin esimerkiksi siihen, että selvitetään jonkin materiaalin ominaisuuksia, esimerkiksi dislokaatiotiheys tai vakanssien tiheys myötönopeuden funktiona.

2.4 Atomitason vuorovaikutus

Kuten jo aiemmin todettiin, dynaaminen myötövanheneminen ilmiönä perustuu seosato- mien ja matriisin dislokaatioiden vuorovaikutukseen ja siitä seuraa epätasaista dislokaa- tioliikettä ja odottamatonta lujuuden kohoamista ja laskemista. Seosatomien ja dislokaa- tioiden välistä atomitason vuorovaikutusmekanismien vaikutusta dynaamiseen myötö- vanhenemiseen on tutkittu vasta vähän. [2, 4, 8]

On kehitetty myös malleja, jotka ottavat huomioon seosaineiden vetovaikutuksen. Ne huomioivat muodonmuutoksen aikana liikkuvien dislokaatioiden ympärillä olevien seosatomien avaruusjakauman dislokaatioliikkeen funktiona. H. Aboulfadl et al. [2] tut- kivat vuonna 2015 seosaineiden vetovaikutusta dynaamiseen myötövanhenemiseen alu- miini-magnesiumseoksella. Seos kylmävalssattiin ja siitä tehtiin kolme näytettä, joista kaksi lämpökäsiteltiin. Kuvassa 10 on näkyvissä näytteiden insinöörijännitys-myötymä- käyrät.

Kuva 10. Alumiini-magnesiumnäytteiden jännitys-myötymäkäyrät [2].

Tutkimuksessa käytettiin kuvantamiseen ATP:tä ja läpivalaisuelektronimikroskooppia.

ATP-testien tuloksena huomattiin, että dislokaatioiden ympärillä magnesiumkonsentraa- tio oli suurempi kuin muualla materiaalissa. Kuvassa 11 näkyy magnesiumtihentymä, joka on dislokaatioviivan kohdalla. [2]

Kuva 11. Magnesiumtihentymä dislokaation kohdalla. [2]

Tutkimuksesta voidaan päätellä, että seosaineena ollut magnesium on vuorovaikutuk- sessa dislokaatioiden kanssa muodonmuutoksen aikana. Kuvassa 12 näkyy magnesiumin konsentraatio näytteessä dislokaation ympärillä. [2]

Kuva 12. Magnesiumkonsentraatio dislokaation ympärillä. [2]

Dislokaatio näkyy sinisenä viivana keskellä kuvaa 12. Magnesium on keskittynyt lähelle dislokaatiota. [2]

Vaikka tutkimus onkin tehty alumiiniseokselle eikä teräkselle, ilmiö todennäköisesti tois- tuu myös teräksien dynaamisen myötövanhenemisen kohdalla. Tämän väitteen voi perus- tella sillä, että molempien toimintaperiaate on sama, eli metallimatriisin seosatomin dif- fuusio. Lisäksi, kuten aiemmin mainittu, pelkkä Cottrellin efekti ei selitä dynaamista myötövanhenemista täysin.

3. SEOSATOMIEN VAIKUTUS DYNAAMISEEN MYÖTÖVANHENEMISEEN TERÄKSISSÄ

Tässä kappaleessa käydään läpi erilaisilla kokeilla löydettyjä syitä dynaamiseen myötö- vanhenemiseen. Testatut materiaalit ovat pääosin teräksiä. Kuten luvussa kaksi todettiin, dynaamisen myötövanhenemisen taustalla on metallimatriisin dislokaatioiden ja metallin seosatomien välinen vuorovaikutus. Dislokaatioiden liikkeen aiheuttama jännityskenttä vetää puoleensa seosatomeita aiheuttaen seosatomien diffuusion.

3.1 Hiili ja typpi

Caillardin vuonna 2016 julkaistussa tutkimuksessa [4] tutkittiin hiilen vaikutusta dynaa- miseen myötövanhenemiseen TEMin avulla. Tutkimuksessa todettiin, että puhtaassa rau- dassa hiilellä on dynaamista myötövanhenemista edistävä vaikutus hiilen diffuusion vuoksi. Tutkimuksessa todettiin myös, että mitä suurempi hiilen konsentraatio materiaa- lissa oli, sitä enemmän dynaamista myötövanhenemista voitiin havaita.

Myös Querioz et al:n vuonna 2012 julkaistussa tutkimuksessa [19] tultiin siihen lopputu- lokseen, että dynaaminen myötövanheneminen dual-phase-teräksissä johtuu hiilen dif- fuusiosta. Tutkimuksessa mitattiin DSA:n aktivoitumisenergioita. PLC-efektin alussa ak- tivoitumisenergia oli 83kJ/mol, joka vastaa hiilen diffuusion aktivoitumisenergiaa. Kun venymä oli 5%, aktivoitumisenergia maksimimuodonmuutoslujuudelle oli 156 kJ/mol, joka vastaa arvoa, joka saadaan, kun lasketaan yhteen hiilen diffuusion aktivoitumisener- gia ferriitissä ja hiilen ja dislokaatioiden vuorovaikutusenergia.

Field ja Van Aken [20] tutkivat dynaamista myötövanhenemista mangaania sisältävässä TRIP (Transformation induced plasticity) -teräksessä. Tutkimuksessa oli kahta eri man- gaania sisältävää terästä. Kolmanneksi metalliksi valittiin typpi- ja hiilipitoisuudeltaan matala seos. Tämä toteutettiin lisäämällä kromia, joka sitoo itseensä hiilinitridejä Cr23(C,N)6-yhdisteeksi. Tutkimuksessa todettiin, että yhdisteessä, johon oli lisätty kro- mia, DSA alkoi korkeammassa lämpötilassa kuin kahdessa muussa teräksessä. Kuvassa 13 on näkyvissä tutkimuksessa käytettyjen terästen insinöörijännitys-myötymäkäyrät.

Teräs, johon on lisätty kromia, on 12Mn-seos(Alloy). Siinä alkaa esiintyä Portevin Le Chatelier -efektiä suuremmilla myötymillä kuin 14Mn-seoksessa(Alloy), joka ei sisällä lisättyä kromia ja näin ollen sisältää suuremman määrän vapaata hiiltä ja typpeä.

Kuva 13. Fieldin ja Van Akenin tutkimuksen terästen insinöörijännitys-myötymäkäyrät [20].

Myös Baird ja Jamieson [21] osoittivat tutkimuksessaan, että poistamalla typpeä teräk- sestä käyttämällä nestemäistä vetyä, dynaamista myötövanhenemista ei enää esiintynyt.

Typpipitoisuuden on todettu vaikuttavan dynaamiseen myötövanhenemiseen. Sitä ovat tutkineet esimerkiksi Ganesan et al. [1] vuonna 2014 sekä Lee et al. [11] vuonna 2011.

Ganesan et al. tutkimuksessa teräksissä oli typpeä 0,07 m-% (massaprosentti), 0,11 m-%, 0,14 m-% ja 0,22 m-%. Vähiten typpeä sisältävällä teräksellä esiintyi DSA:ta lämpöti- loissa 723-923K ja eniten typpeä sisältävällä lämpötilan ollessa 823–923K. Dynaamista myötövanhenemista näyttäisi tapahtuvan eniten matalilla typpipitoisuuksilla ja vähiten korkeimmilla typpipitoisuuksilla. Tämä tulos on päinvastainen McCormickin DSA-teo- rian kanssa ja aiheutti ihmetystä myös tutkijoissa. McCormickin teorian mukaan seosai- neiden lisääntyminen lisää myös dynaamisen myötövanhenemisen ilmenemistä. [1]

Lee et al. tutkimuksessa tutkittiin typen vaikutusta teräkseen, joka sisälsi 18 m-% man- gaania ja 0,6 m-% hiiltä. Myös Le[20]e et al. tutkimuksessa tultiin siihen tulokseen, että typpipitoisuutta kasvattamalla myös venymä, jolla DSA alkaa, kasvaa. [11] Molemmissa esitellyissä tutkimuksissa päädyttiin siis siihen tulokseen, että typpipitoisuuden kasvatta- minen vähentää DSA:n yhteydessä esiintyvää Portevin–Le Chatelier–efektiä. [1, 11]

Saatu tulos johtuu todennäköisesti siitä, että teräksissä olleet muut seosaineet ovat sito- neet vapaata typpeä ja hiiltä itseensä, jolloin dynaamisen myötövanhenemisen esiintymi- nen vähenee. Tälle väitteelle saa tukea esimerkiksi Bairdin ja Jamiesonin [21] sekä Fiel-

din ja Van Akenin [20] tutkimuksista, joissa joko poistettiin tai pyrittiin sitouttamaan va- paata typpeä (ja hiiltä) yhdisteiksi, jotka eivät aiheuttaisi diffuusiollaan dynaamista myö- tövanhenemista. Ganesan et al. ja Lee et al. tutkimuksissa ei ole otettu kantaa vapaan typen määrään, vain ainoastaan typen massaprosenttiin teräksessä.

3.2 Muut seosaineet

Huang et al. vuonna 2015 julkaistussa tutkimuksessa [22] tutkittiin seosaineiden keski- näisen vuorovaikutuksen vaikutusta DSA:n esiintymiseen materiaalissa. Taulukossa 1 on nähtävillä tutkimuksessa testattujen terässeosten kemialliset koostumukset.

Taulukko 1. Testattujen materiaalien kemialliset koostumukset [22].

Materiaali A48 on puolitiivistettyä terästä, jonka alumiinipitoisuus on erittäin pieni, joten alumiini ei voi sitoa typpeä alumiininitridiksi, eli typpeä jää paljon vapaaksi. Materiaali A42 on täystiivistettyä terästä, jossa alumiinia on riittävästi sitomaan lähes kaikki typpi.

Kuvassa 14 on näkyvillä materiaalien murtovetolujuudet lämpötilan funktiona. A48:lla on korkeampi hiili- ja typpipitoisuus, minkä seurauksena sen vetolujuus on selkeästi suu- rempi kuin A42:n. Lisäksi mangaani sitoo itseensä hiiltä ja A42:ssa on mangaania enem- män kuin A48:ssa. [22]

Kuva 14. A48- ja A42-terästen vetolujuus lämpötilan funktiona [22].

Huang et al. [22] tutkimuksen perusteella voidaan siis päätellä, että monet lisäaineet eivät välttämättä itse sinällään vaikuta dislokaatioiden liikkuvuuteen, mutta niillä on hiiltä tai typpeä sitova vaikutus, joka puolestaan vaikuttaa dynaamisen myötövanhenemisen esiin- tymiseen. Samaa teoriaa puoltavat myös Caillardin [4] sekä Fieldin ja Van Akenin [20]

tutkimukset vuosilta 2016 ja 2018. Field ja Van Aken totesivat kromin on vähentävän DSA:n esiintymistä, sillä se sitoo hiiltä ja typpeä itseensä mm. Cr23(C,N)6-yhdisteeksi.

Caillardin tutkimuksessa havaittiin lisäksi, että korkeissa lämpötiloissa vapaaksi jääneen kromin, alumiinin, nikkelin tai piin diffuusio aiheuttaa myös dynaamista myötövanhene- mista. Näiden seosaineiden lisääminen teräkseen toimi Caillardin tutkimuksessa siten, että dynaamista myötövanhenemista alkoi tapahtua vasta korkeammissa lämpötiloissa kuin yleensä. Tämän pääteltiin johtuvan siitä, että dynaamisen myötövanhenemisen ai- heutti jokin muu seosatomi kuin hiili. Kromi, alumiini, nikkeli ja pii sitoivat vapaan hiilen itseensä yhdisteiksi. Ne atomit, joita ei tarvittu hiilen sitomiseen, jäivät vapaiksi ja aiheut- tivat diffuusiollaan dynaamista myötövanhenemista. Korkeampi lämpötila johtuu siitä, että isommat atomit tarvitsevat korkeamman lämpötilan diffuusion alkamiseksi. [4]

Venkadesan et al. [23] osoitti tutkimuksessaan, että parantamalla titaanin suhdetta hiileen ja typpeen 3,6:sta 5,3:en, saatiin nostettua dynaamisen myötövanhenemisen aktivoitumis- energiaa 85 kJ/mol:sta 121 kJ/mol:iin. Lisäksi Cuddy ja Leslie [17] huomasivat, että li- säämällä teräkseen titaania, dynaamisen myötövanhenemisen alkamisen lämpötilaa saa- tiin nostettua. Kun yleensä DSA:ta on alettu havaita välillä 473-523 K, titaanin lisääminen nosti DSA:n alkamislämpötilan välille 673–773 K.

4. YHTEENVETO

Dynaamista myötövanhenemista esiintyy jännittyneessä tilassa olevilla metalleilla koro- tetuissa lämpötiloissa, useimmiten merkittävää DSA:ta esiintyy lämpötilan ollessa välillä 200–400°C. Dynaaminen myötövanheneminen ilmiönä johtuu siitä, että dislokaatiot vuo- rotellen lukittuvat ja vapautuvat. Tämä aiheuttaa jännitys-myötymäkäyrille Portevin Le Chatelier -efektiä, eli käyrän sahalaitaisuutta.

Dislokaatioiden lukittumisen teräksissä on aiemmin ajateltu johtuvan pelkästään hiilen diffuusiosta, joka tapahtuu, kun liikkuvat dislokaatiot vetävät puoleensa hiiliatomeja.

Kuitenkin myös esimerkiksi hiilen ja dislokaatioiden välinen atomitason vuorovaikutus vaikuttaa omalta osaltaan DSA:han. Toinen usein dynaamista myötövanhenemista ai- heuttava alkuaine on typpi. Lisäksi myös muut seosaineet, kuten alumiini, kromi, pii ja nikkeli sekä pienet karbidit voivat aiheuttaa diffuusiollaan dislokaatioiden lukittumista, kun lämpötila on niin korkea, että hiilen ja typen diffuusionopeus on dislokaatioliikkeen nopeutta suurempi, eivätkä ne enää lukitse dislokaatioita paikoilleen.

Lisäksi moni teräksen seosaine vaikuttaa dynaamista myötövanhenemista vähentävästi.

Tämä vaikutus johtuu siitä, että jotkin seosaineet pystyvät sitomaan itseensä hiiltä ja typ- peä ja muodostamaan niin suurikokoisia yhdisteitä, etteivät ne aiheuta dynaamista myö- tövanhenemista. Tällaisia alkuaineita on todettu olevan esimerkiksi kromi, mangaani, alu- miini ja titaani.

On löydetty myös ”uudeksi Peierlsin mekanismiksi” nimetty mekanismi, joka aiheuttaa dynaamista myötövanhenemista. Uutta Peierlsin mekanismia esiintyy korkeimmissa läm- pötiloissa, joissa dynaamista myötövanhenemista tapahtuu. Peierlsin mekanismin on aiemmin todettu vaikuttavan vain noin huoneenlämmössä. Peierlsin mekanismi lukitsee ruuvidislokaatioita ja sitä tapahtuu eniten tilakeskisissä kuutiollisissa hiloissa. Metallien hilarakenteellakin voi siten olla vaikutus dynaamiseen myötövanhenemiseen. Toisaalta, tästä on tehty vain yksittäisiä havaintoja, joten aihetta pitäisi tutkia paljon lisää, jotta mi- tään varmaa voidaan sanoa.

Dynaamista myötövanhenemista pidetään yleisesti ottaen huonona tai epätoivottuna asiana. Siihen saattaa vaikuttaa esimerkiksi se, että DSA:ta ei vielä tunneta täysin ilmiönä, joten se saattaa vaikuttaa hieman epäluotettavalta. Lisäksi on hieman haastavaa keksiä sovelluksia, joissa dynaamista myötövanhenemista voisi hyödyntää, sillä se vaatii kor- kean lämpötilan ja jännittyneen tilan. Lisäksi dynaamisen myötövanhenemisen aikana lu- juus muuttuu hyvinkin nopeasti venymän funktiona.

Dynaamista myötövanhenemista on myös käytetty materiaalien ominaisuuksien paranta- miseen useammassa eri tutkimuksessa. DSA-esikäsittelyllä on kasvatettu materiaalien vä- symiskestävyyttä. Väsymiskestävyys on parantunut, sillä dynaaminen myötövanhenemi- nen on lisännyt dislokaatiotiheyttä ja tasannut dislokaatioiden esiintymistä materiaalissa.

Lisäksi dislokaatiorakenne on stabiilimpi, kun seosatomit ovat lukinneet liikkuvat dislo- kaatiot paikoilleen. Dislokaatioiden määrän lisääntyminen ja tasaantuminen materiaalissa johtavat siihen, että murtumien muodostuminen ja eteneminen hidastuvat huomattavasti.

Kaiken kaikkiaan dynaaminen myötövanheneminen on ilmiönä hyvin kiinnostava ja mo- niulotteinen. Dynaamista myötövanhenemista ei siis voida hyödyntää, kun teräs on käy- tössä, vaan silloin sitä pitäisi välttää voimakkaiden materiaalin lujuuden vaihteluiden vuoksi. Esikäsittelymenetelmänä dynaamista myötövanhenemista kuitenkin on käytetty useammassa tutkimuksessa hyvin tuloksin. Tästä voi vetää johtopäätöksen, että dynaami- sen myötövanhenemisen tutkimista kannattaa jatkaa, sillä se voi tulevaisuudessa olla hyvä keino paremman dislokaatiorakenteen ja sitä kautta paremman väsymiskestävyyden saavuttamiseen. Tässä työssä vielä ehditty paneutua kovinkaan syvällisesti itse ilmiön kaikkiin puoliin tai syihin sen taustalla. Pikemminkin työssä annettiin yleiskuva siitä, mitä dynaaminen myötövanheneminen oikeastaan on ja mitkä asiat vaikuttavat siihen.

LÄHTEET

[1] Ganesan, V; Laha, K; Nandagopal, M; Parameswaran, P; Mathew, M D, Effect of nitrogen content on dynamic strain ageing behaviour of type 316LN austenitic stainless steel during tensile deformation, in: MATERIALS AT HIGH TEMPERATURES, MA- NEY PUBLISHING, LEEDS, 2014, pp. 162-170.

[2] Aboulfadl, H; Deges, J; Choi, P; Raabe, D, Dynamic strain aging studied at the ato- mic scale, in: Acta Materialia, 2015, pp. 34-42.

[3] Karlsen, Wade; Ivanchenko, Mykola; Ehrnstén, Ulla; Yagodzinskyy, Yuriy; Hänni- nen, Hannu, Microstructural manifestation of dynamic strain aging in AISI 316 stainless steel, in: Journal of Nuclear Materials, 2009, pp. 156-161.

[4] Caillard, D, Dynamic strain ageing in iron alloys: The shielding effect of carbon, in:

Acta Materialia, 2016, pp. 273-284.

[5] Feng, Yu; Mandal, Sudipto; Gockel, Brian; Rollett, Anthony D, Extension of the Me- chanical Threshold Stress Model to Static and Dynamic Strain Aging: Application to AA5754-O, in: Metall and Mat Trans A, Springer US, 2017, pp. 5591-5607.

[6] Gilat, Amos; Wu, Xinrong, Plastic deformation of 1020 steel over a wide range of strain rates and temperatures, in: International Journal of Plasticity, 1997, pp. 611-632.

[7] Kerscher, E; Lang, K -H; Vöhringer, O; Löhe, D, Increasing the fatigue limit of a bearing steel by dynamic strain ageing, in: International Journal of Fatigue, 2008, pp.

1838-1842.

[8] Caillard, D; Martin, J L, Thermally Activated Mechanisms in Crystal Plasticity: Per- gamon Materials Series v. 8, Chapter 3 - Interactions Between Dislocations and Small- size Obstacles, Pergamon, 2003, pp. 57-82.

[9] Cottrell, Alan Howard, Dislocations and plastic flow in crystals, Chapter 13: Ancho- ring of Dislocations by Solute Atoms, Clarendon Pr, Oxford, 1965, pp. 133-150.

[10] Ye, Chang; Suslov, Sergey; Kim, Bong Joong; Stach, Eric A; Cheng, Gary J, Fati- gue performance improvement in AISI 4140 steel by dynamic strain aging and dynamic precipitation during warm laser shock peening, in: Acta Materialia, 2011, pp. 1014-1025.

[11] Lee, Sangwon; Kim, Jinkyung; Lee, Seok-Jae; De Cooman, Bruno C, Effect of nit- rogen on the critical strain for dynamic strain aging in high-manganese twinning-induced plasticity steel, in: Scripta Materialia, 2011, pp. 528-531.

[12] Sarkar, Apu; Maloy, Sturat A; Murty, Korukonda L, Investigation of Portevin−Le Chatelier effect in HT-9 steel, in: Materials Science and Engineering: A, 2015, pp. 120- 125.

[13] de Almeida, L H; Le May, I; Emygdio, P R O, Mechanistic Modeling of Dynamic Strain Aging in Austenitic Stainless Steels, in: Materials Characterization, 1998, pp. 137- 150.

[14] Chen, Wenzhe; Qian, Kuangwu, Effects of dynamic strain aging on pure bending fatigue strength of austenitic stainless steel, in: Jinshu Xuebao/Acta Metallurgica Sinica, 1989, pp. A136.

[15] Huang, J Y; Hwang, J R; Yeh, J J; Chen, C Y; Kuo, R C; Huang, J G, Dynamic strain aging and grain size reduction effects on the fatigue resistance of SA533B3 steels, in:

Journal of Nuclear Materials, 2004, pp. 140-151.

[16] Caillard, D; Bonneville, J, Dynamic strain aging caused by a new Peierls mechanism at high-temperature in iron, in: Scripta Materialia, 2015, pp. 15-18.

[17] Cuddy, L J; Leslie, W C, Some aspects of serrated yielding in substitutional solid solutions of iron, in: Acta Metallurgica, 1972, pp. 1157-1167.

[18] Laurent Proville; David Rodney; Mihai-cosmin Marinica, Quantum effect on ther- mally activated glide of dislocations, in: Nature Materials, Nature Publishing Group, Lon- don, 2012, pp. 845-849.

[19] Queiroz, R R U; Cunha, F G G; Gonzalez, B M, Study of dynamic strain aging in dual phase steel, in: Materials Science and Engineering: A, 2012, pp. 84-87.

[20] Field, Daniel; Van Aken, David, Dynamic Strain Aging Phenomena and Tensile Re- sponse of Medium-Mn TRIP Steel, in: Metall and Mat Trans A, Springer US, New York, 2018, pp. 1152-1166.

[21] Baird, J. D.; Jamieson, A., Journal of the Iron and Steel Institute, in: J. Iron Steel Institute, 1966, pp. 793–801.

[22] Huang, Z; Wagner, D; Bathias, C, Some metallurgical aspects of Dynamic Strain Aging effect on the Low Cycle Fatigue behavior of C–Mn steels, in: International Jour- nal of Fatigue, 2015, pp. 113-120.

[23] Venkadesan, S.; Phaniraj, C.; Sivaprasad, P. V.; Rodriguez, P., Activation energy for serrated flow in a 15Cr 5Ni Ti-modified austenitic stainless steel, in: Acta Metal- lurgica et Materialia, 1992, pp. 569-580.